存储系统

计算机存储结构层次图

分级存储

目的：解决存储容量、成本和速度之间的矛盾。按 CPU 物理距离分 4 层（由近→远）：片上缓存 → 片外缓存 → 主存（内存）→ 外存。速度依次降低，容量依次提高。

两级存储：Cache-主存、主存-辅存（虚拟存储体系）。

局部性原理：

• 时间局部性：刚被访问的数据近期可能再次被访问
• 空间局部性：相邻地址的数据可能被连续访问

🎯 一句话结论：局部性原理不仅适用于循环程序，数组访问（空间局部性）、子程序调用等也体现局部性。Cache 设计的理论依据正是程序的局部性原理。

局部性原理

高速缓存 Cache

Cache 地址映射

在 CPU 工作时，送出的是主存地址，需转换为 Cache 地址，称为地址映像，由硬件自动完成。

映射方式	特点	块冲突概率
直接映像	主存块与 Cache 块号相同才能命中，变换简单但不灵活	最高
全相联映像	主存任意块可调入 Cache 任意块，变换复杂速度慢	最低
组相联映像	组间直接映像 + 组内全相联映像，前两者折中	中

块冲突概率：直接映像 > 组相联映像 > 全相联映像。

相联存取（按内容寻址）

🎯 一句话结论：相联存取根据访问内容（而非地址）决定存储单元，常用于 Cache 中。

存取方式	机制	应用
顺序存取	按顺序定位数据	磁带
直接存取	直接定位到块，再顺序查找	磁盘
随机存取	按地址直接访问任意单元	主存（DRAM）
相联存取	按内容而非地址查找	Cache（TLB也用到）

相联存取能在一个存储周期内将关键字与所有单元同时比较，硬件复杂度高但速度快。

虚拟存储器

存储介质易失性分类

🎯 一句话结论：SRAM/DRAM/寄存器 掉电丢失数据（易失性），Flash/SSD/HDD/ROM 掉电保持数据（非易失性）。

类型	介质	易失性	速度	典型用途
寄存器	触发器	易失	最快	CPU 内部
SRAM	晶体管	易失	很快	Cache（L1/L2/L3）
DRAM	电容	易失（需刷新）	中	主存（内存条）
Flash	浮栅晶体管	非易失	慢于DRAM	SSD、U盘
HDD	磁介质	非易失	最慢	机械硬盘

⚠️ DRAM 访问速度远高于 SSD/HDD，常见干扰项说"DRAM 速度远低于 SSD"是错误的。

DRAM 与 DDR SDRAM 特性

🎯 一句话结论：DDR SDRAM 在时钟上升沿和下降沿各传输一次数据，同等时钟频率下带宽是普通 SDRAM 的 2 倍。

• DRAM 用电容存储，需定时刷新以保持数据
• DDR（Double Data Rate）：时钟上下沿都传输，实现加倍速率
• 速度链：CPU 寄存器 > Cache(SRAM) > 主存(DRAM) > SSD(Flash) > HDD(磁盘)

磁盘

磁盘结构与调度算法

磁盘三大要素：磁头（Head）、柱面（Cylinder，所有盘面同位置磁道集合）、扇区（Sector，最小存储单元）。

算法	说明	特点
FCFS（先来先服务）	按请求顺序调度	公平但效率低
SSTF（最短寻道时间优先）	离当前磁道最近的请求优先	可能产生"饥饿"
SCAN（扫描/电梯算法）	磁头双向移动到底才掉头	与电梯类似
CSCAN（单向扫描）	只做单向移动	更均匀的等待时间

命中率计算

平均访问时间 = 命中率 × Cache 访问时间 +（1 - 命中率）× 主存访问时间。

替换算法

算法	说明
随机替换	随机选择被替换块
先进先出（FIFO）	替换最先进入 Cache 的块
近期最少使用（LRU）	替换近期最少使用的块
优化替换	先执行一次程序统计替换情况，第二次用最优方式

硬盘格式化容量

🎯 一句话结论：格式化容量 = 记录面数 × 每面磁道数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数。

格式化容量 = 记录面数 × 磁道数/面 × 扇区数/道 × 字节数/扇区

计算示例：

4 个记录面，每面 1000 磁道，每道 200 扇区，每扇区 512 字节

容量 = 4 × 1000 × 200 × 512 = 409,600,000 字节 ≈ 400MB

⚠️ 非格式化容量 ≠ 格式化容量：

• 非格式化容量 = 记录面数 × 磁道数 × 内圈周长 × 最大位密度（一般不考）
• 格式化后每个扇区会有间隙、同步字段等开销，实际可用容量更小

硬盘存取时间

🎯 一句话结论：存取时间 = 寻道时间 + 等待时间 + 读/写时间，其中寻道时间最长，是性能瓶颈。

组成部分	含义	量级
寻道时间	磁头移动到目标磁道（柱面）的时间	最长（ms 级）
等待时间（旋转延迟）	目标扇区旋转到磁头下方的时间	平均为旋转半圈时间
读/写时间（传输时间）	实际数据读写的时间	相对最短

平均存取时间 = 平均寻道时间 + 平均等待时间 + 传输时间

平均等待时间 ≈ 1 / (2 × 转速)，如 7200rpm → 平均等待 ≈ 4.17ms

⚠️ 常见坑

易错点	正解
忘了乘记录面数	硬盘有多个盘面，格式化容量公式第一项就是记录面数
存取时间 = 寻道 + 等待	漏了读/写（传输）时间，虽然它最小但不能省略
MB 换算	1MB = 10^6 还是 2^20？硬盘厂商用 10^6，考题一般用 1024 进制；注意题干上下文

RAID 级别速查

🎯 一句话结论：RAID0 无冗余性能最高，RAID1 全镜像最安全，RAID5 分布式奇偶校验（允许坏1块），RAID6 双奇偶校验（允许坏2块），RAID10 先镜像再条带。

级别	冗余	最少盘数	有效容量	允许坏盘	读性能	写性能
RAID0	无	2	n×min	0	高	高
RAID1	镜像	2	1×min	n-1	中	中
RAID5	1块校验	3	(n-1)×min	1	高	中
RAID6	2块校验	4	(n-2)×min	2	高	低
RAID10	镜像+条带	4	(n/2)×min	每组最多1	高	中

容量计算公式

🎯 一句话结论：RAID 有效容量 = (盘数 - 校验盘数) × 最小盘容量，校验盘数 RAID5=1, RAID6=2, RAID0=0。

有效容量 = (N - P) × min(所有盘容量)

• N = 磁盘总数
• P = 校验盘数量（RAID0=0, RAID5=1, RAID6=2）
• 若各盘容量不同，取最小值

示例：4 块 80T 硬盘组 RAID6，有效容量 = (4-2)×80 = 160T。

RAID 目标

🎯 一句话结论：RAID 的核心目的是兼顾数据安全性与磁盘 I/O 性能，而非单纯扩大容量或降低成本。

• RAID 通过冗余提升数据安全性（镜像/奇偶校验）
• RAID 通过**条带化（striping）**将数据分散到多盘，并行读写提升 I/O 性能

⚠️ 常见坑

易错点	正解
RAID0 性能高是因为条带化 I/O 并行，但无任何冗余保护	不要误以为 RAID0 有数据保护
RAID5 只允许坏 1 块盘，RAID6 允许坏 2 块	不要记反
容量计算取最小盘容量，各盘不同时不能用平均值	实际场景中各盘容量通常相同